3.1.16 Диффузионно–адсорбционные потенциалы

Потенциалы диффузионно–адсорбционной природы возникают вследствие различия в химическом составе и концентрации солей, растворенных в пластовых водах и буровом растворе. На контакте растворов разной концентрации (или состава) происходит диффузия ионов из более концентрированного раствора в менее концентрированный.. Однако скорость диффузии неодинакова у разнополярных ионов. Вследствие разности в подвижности через некоторое время в более слабом растворе накопится избыток отрицательных ионов, а в концентрированном – положительных, и эти растворы приобретут соответствующий заряд. Наибольшей величины диффузионно–адсорбционные потенциалы достигают на границе пород с минимальной и максимальной адсорбционной активностью, т.е. на границе чистых кварцевых песчаников и тонко дисперсных глин. Поскольку глина не пропускает анионы (–) и пропускает катионы (+), то таким образом, раствор в скважине против глин приобретает положительный заряд, против песчаников – отрицательный.

Если допустить, что электрическое поле в скважине имеет только диффузионно–адсорбционное происхождение, то для случая, когда минерализация воды песчаного пласта С_в больше минерализации глинистого раствора С_с или (если выразить минерализацию растворов через их сопротивления) p_в<p_с, справедливо схематическое распределение электрического поля (зарядов) в скважине, представленное на рис. 3.14.

Электродвижущие силы на границе песчаного и глинистого пластов возникают даже при одинаковой минерализации содержащихся в них вод вследствие различия адсорбционных свойств контактирующих сред (глинистый пласт можно рассматривать как мембрану между пластовой водой и промывочной жидкостью). На рис. 3.14 схематически показано направление токовых линий, возникающих под влиянием диффузионно–адсорбционных потенциалов. Эти линии замыкаются на пересечении стенок скважины с границей пласта, где плотность тока наибольшая. Известно, что уменьшение потенциала происходит в направлении движения тока и в местах максимальной его плотности наблюдается наибольшее изменение потенциала.

Рисунок 3.14 – Образование диффузионно–адсорбционного потенциала на контакте песчаного I и глинистого II пластов (б) и его эквивалентная электрическая схема в тождественных условиях (а):

1–направление диффузии солей; 2–токовые линии; 3– график статических потенциалов ПС; 4– график фактических потенциалов ПС (p_в<p_с)

В данном случае диффузионно–адсорбционный потенциал Е_да=К_даlg(p_с/p_в), а диффузионный Е_д=К_дlg(p_с/p_в), где К_да и К_д – коэффициенты диффузионно–адсорбционного и диффузионного потенциалов. Следовательно, суммарные потенциалы в скважине:

Епс=Ед–Еда=(Кд–Кда) lg(pс/pв) = –Кпс Кдlg(pс/pв),

(3.2)

где К_пс=К_да–К_д – коэффициент статистической аномалии ПС или общий коэффициент диффузионно–адсорбционный ЭДС ПС. Знак минус перед величиной диффузионно–адсорбционного потенциала Е_да связан с тем, что в контуре токовой линии ПС он включен в обратном направлении по отношению к диффузионному потенциалу Е_д непосредственного контакта.

Если допустить, что в контуре ток отсутствует, то вдоль каждой из сред должно наблюдаться постоянство потенциала. Величина Е_пс, отражающая амплитуду изменения потенциала естественного поля, является в этом случае статической амплитудой диффузионно–адсорбционного потенциала для чистого песчаного пласта (см. рис. 3.14, кривая 3). Изменение петенциала естественного поля по стволу скважины на границах пластов происходит не скачками, а плавно. Разность потенциалов определяется произведением силы тока на сопротивление участка цепи, поэтому потенциалы, полученные против песчаного пласта и на границе его с глиной, будут различны (см. рис. 3.14, кривая 4). Согласно формуле (3.2) аномалия естественных потенциалов ПС против песчаного пласта имеет отрицательный знак, если глинистый раствор менее минерализован, чем пластовая вода (pф>pв) (прямые ПС), и положительный знак, если глинистый раствор более минерализован, чем пластовая вода (pф<pв) (обратные ПС). На рис.3.14 дана эквивалентная схема электрического поля ПС в скважине. Согласно этой схеме пласт песчаника, залегающий среди глин и пересеченный скважиной, рассматривается как электрохимическая ячейка. Линейные сопротивления R_вм, R_п и R_с соответственно эквивалентны сопротивлениям вмещающих пород (глин) пласта (песчаника) и столба промывочной жидкости в скважине. Электродвижущая сила естественного потенциала в скважине:

Епс=I*(Rвм+Rп+ Rс)

(3.3)

На участке скважины с сопротивлением R_с разность потенциалов ΔU_пс=IR_с соответствует полному изменению потенциала в скважине и является фактической амплитудой аномалии ΔU_пс в пласте:

ΔUпс =Епс – I*(Rп+Rвм)

(3.4)

Наибольшее значение фактической амплитуды ΔU_пс, приближающееся к Е_пс, наблюдается против мощного чистого (неглинистого) пласта. При наличии в пласте глинистого материала коэффициент диффузионного потенциала принято обозначать через Кⁱ _да(Кⁱ _да>К_д). Если К_да=Кⁱ_да, то на основании выражений (3.3) можно записать

Епс=( Кi д а –Кда)lg(pф/pв)=(Аi да–Ада) lg(pф/pв)

(3.5)

где К_да, Кⁱ_да и А_да, Аⁱ _да – коэффициенты соответственно диффузионно–адсорбционного потенциала и активности вмещающей среды и пласта.